A Nukleáris Kutatások Osztályán folyó kutatások


A nukleáris analitikai módszerek közé tarozó prompt-gamma aktivációs analízis (PGAA, PGNAA) elemi és izotóp-összetétel roncsolásmentes meghatározására alkalmas. A mintát neutronokkal sugározzuk be, és az (n,γ)-reakcióban keletkező gamma-sugárzást detektáljuk. A folyamat minden, a gyakorlatban előforduló nuklidon végbemegy, így a PGAA-val panoráma analízis végezhető. A "hagyományos" neutronaktivációs analízissel (NAA) ellentétben itt a besugárzás és a számlálás egy időben történik. A spektrumbéli csúcsok energiája és intenzitása az atommag szerkezetétől függ, a kémiai környezettől legtöbbször nem, így az elemzés eredménye független a mátrixhatásoktól. Mind a neutronok, mind a keletkező gamma-fotonok vastagabb rétegeken is áthatolnak, azaz sok más műszeres elemanalitikai módszerrel ellentétben, térfogati átlagösszetételt kapunk. A kiértékelés minden lépése statisztikailag leírható, ezért az eredmények bizonytalansága már egy mérésből is megbízhatóan becsülhető.

Rendszeresen vizsgálunk geológiai, régészeti, környezeti mintákat, műkincseket, kőzeteket, fém mintákat, üvegeket, katalizátorokat, kerámiákat. Számos anyagtudományi, nukleáris technológiai, asztrofizikai és magfizikai kísérletben is sikeresen vettünk részt.

Elemanalízis neutronokkal



A sugárzásos neutronbefogás mechanizmusa
Neutronbefogás után egy ún. compound atommag keletkezik. Ennek gerjesztési energiája csaknem megegyezik a befogott neutron kötési energiájával, hiszen a lassú neutronok mozgási energiája (meV) e mellett elhanyagolható. A neutron kötési energiája a stabil elemek 80%-a esetén 6 és 10 MeV között van. A compound atommag igen gyorsan, kb. 10–16 s alatt kibocsátja a gerjesztési energiáját, és általában több lépésben, mintegy 10–9 – 10–12 s alatt éri el az alapállapotot, miközben 2-4 γ-fotont bocsát ki. Ezeket prompt γ-fotonoknak nevezzük, ha az emisszió a mérőrendszer időfeloldásánál (10 ns - 10 μs) rövidebb idő alatt megtörténik. A prompt γ-sugárzás karakterisztikus, az energia jellemzi a kibocsátó nuklidot, míg az intenzitás arányos az atomok számával. A legtöbb nuklid száz, de egyes esetekben akár ezer különböző energiájú fotont is kibocsát. Ha a befogás után keletkező alapállapotú atommag nem stabil, a folyamat tovább megy és a radioaktív bomlást (β-bomlás vagy elektronbefogás) kísérő ún. késő γ-fotonokat is detektáljuk. Ennek idődinamikáját a felezési idő határoza meg.

A magreakciók valószínűségét a hatáskeresztmetszettel (cross section) jellemezzük. A neutronbefogási hatáskeresztmetszet jelentősen függ a neutron energiájától, a lassú neutronok tartományában annak sebességével fordítottan arányos (1/v törvény). Ez az első, ún. rezonanciáig érvényes, amely jellemzően az eV-keV energiatartományba esik. A PGAA-ban a reakciógyakoriság jellemzésére bevezették a parciális gamma-keltési hatáskeresztmetszetet, amely az izotópgyakoriság, a 2200 m/s sebességű monoenergiás neutronokra értelmezett hatáskeresztmetszet és az adott energiájú gamma-foton kibocsátási valószínűségének szorzata. Ez a mennyiség teremt kapcsolatot a mért számmlálási sebesség és az anyagmennyiség között.

Kutatási projektek és elért eredmények

  • PGAA módszerfejlesztés 
  • Módszertani fejlesztések
    • Gamma spektroszkópia (csúcsillesztés, nonlinearitás, hatásfok illesztés, összetétel számítás), ld. még Hypermet-PC. 
    • Méréstechnika, digitális jelfeldolgozás
    • Nyalábszaggatós PGAA 
    • Új, nagyenergiás kalibrációs standardok
    • Neutronvezető szimuláció
  • A PGAA analitikai alkalmazásai
    • Archeometria (pattintott kőeszközök, kerámiák, fémek, régi üvegek)
    • Geokémia (vulkanizmus a Kárpát-medencében, összehasonlítások) 
    • Anyagtudomány (hidrogén tárolására alkalmas fémek, termolumineszcens doziméter alapanyagok, fullerének)
  • Ipari alkalmazások
    • Inaktív nyomjelzés technológia fejlesztéshez
    • Zárt konténerben lévő anyagok vizsgálata
    • Szennyező anyagok vizsgálata
  • Nukleáris technológiai alkalmazások
  • Safeguards
    • Hasadóanyag meghatározása, csempészet elleni küzdelem,
    • Urán mérése ólom és vas tokokban, akár maszkoló radioaktív forrás jelenlétében is
  • In-beam Mössbauer spektrometria hideg neutronokkal
    • Kiterjeszti a szóba jöhető Mössbauer-nuklidok számát
    • A berendezésen kísérleti mérések folynak. Együttműködésben a Katalízis és Nyomjelzéstechnikai Osztállyal.
  • Magfizika és detektorok
    • Magszerkezet és nívóséma kutatások
    • Magfizikai célú parciális gamma-keltési hatáskeresztmetszet táblázatok
    • γ-γ koincidencia mérések
      • kétlépcsős kaszkád mérések
      • Gamma erősségfüggvény mérések
    • Asztrofizikai mérések
  • A HPGe detektorok válaszfüggvényének modellezése